RU2619360C1 - Device for measurement of temperature of gas flows - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: device is a metal block made in the form of a cylinder connected to the body with a longitudinal axial channel in which there is a thermocouple, which is a metal tube with a ceramic insert, in which there are thermocouple wires protruding at the end of the thermocouple beyond the metal tube with a ceramic insert and connected to a working junction. Thermocouple wires in a metal tube with a ceramic insert are located in the ceramic insert at an angle of 90° with respect to each other at the four corners of the insert as close as possible to the interface between the insert and the metal tube of the thermocouple, provided that the electrical resistance between the thermocouple wires and the thermocouple metal tube is sufficient. In this case, the four thermocouple wires protruding from the insert are pre-twisted in the thermo-vapour region and connected to the working junction by laser welding over the surface of the thermocouple wires to a depth of half the diameter of the thermocouple wire with a ratio of the thermo-paste length to the total length of the protruding thermocouple wires as 1:3, the output of the two thermocouple wires from the insert in relation to the direction of the oncoming gas flow is oriented longitudinally.

EFFECT: improving device performance while maintaining its mechanical strength and resistance to gas-dynamic loads from the gas stream.

1 dwg

Description

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике.The invention relates to thermometry and can be used to measure the temperature of high-speed high-temperature processes in gas dynamics.

Известны устройства с высокотемпературными термопарами, способными без возобновления рабочего термоспая обеспечивать с допустимой погрешностью многократные измерения температуры среды до 1500-1600°С, которая обладает высоким механическим воздействием на термопару, если они будут снабжены защитными наконечниками (Данишевский Д.С., Сведе-Швец Н.И. Высокотемпературные термопары, М., Металлургия, 1977, с. 117-120).Known devices with high-temperature thermocouples that can, without resuming the working thermocouple, provide, with an acceptable error, multiple measurements of the ambient temperature up to 1500-1600 ° C, which has a high mechanical effect on the thermocouple if they are equipped with protective tips (Danishevsky D.S., Swede-Shvets NI High-temperature thermocouples, M., Metallurgy, 1977, S. 117-120).

Однако известные устройства, хотя и обеспечивают защиту термопары от механических воздействий среды за счет введения защитных наконечников, но обладают невысоким быстродействием, т.к. введение защитных наконечников приводит к снижению теплообмена между термопарой и средой, температура которой подлежит измерению.However, the known devices, although they provide protection of the thermocouple from mechanical influences of the environment by introducing protective tips, but have a low speed, because the introduction of protective tips leads to a decrease in heat transfer between the thermocouple and the medium whose temperature is to be measured.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в патенте РФ №2117265, МКИ G01K 7/04, 1998 г.Of the known devices, the closest in technical essence to the claimed is the device described in the patent of the Russian Federation No. 21117265, MKI G01K 7/04, 1998

Данное устройство представляет собой металлический блок, выполненный в виде соединенного с корпусом цилиндра с глухим продольным осевым каналом, в котором размещен рабочий спай термопары с защитным керамическим наконечником. Часть цилиндра выполнена выступающей за пределы корпуса. На его поверхности, на расстоянии 0,3-0,4 ее длины от наружного торца цилиндра, выполнена проточка. Конструкция устройства позволяет уменьшить теплоотвод от рабочего спая термопары к водоохлаждаемому корпусу, повысить механическую жесткость металлического блока, находящегося под воздействием высокой температуры и силы тяжести.This device is a metal block made in the form of a cylinder connected to the body with a blind longitudinal axial channel, in which a working junction of a thermocouple with a protective ceramic tip is placed. Part of the cylinder is made protruding beyond the housing. On its surface, at a distance of 0.3-0.4 of its length from the outer end of the cylinder, a groove is made. The design of the device allows to reduce the heat sink from the working junction of the thermocouple to the water-cooled body, to increase the mechanical stiffness of the metal block under the influence of high temperature and gravity.

Однако анализ прототипа выявляет существенный недостаток, который заключается в низком быстродействии, что обусловлено наличием керамического наконечника с низким коэффициентом теплопередачи от среды к термопаре, массивностью конструкции самой термопары и, соответственно, повышенной теплоемкостью и тепловой инерцией.However, the analysis of the prototype reveals a significant drawback, which consists in low speed, due to the presence of a ceramic tip with a low coefficient of heat transfer from the medium to the thermocouple, the massive structure of the thermocouple itself, and, accordingly, increased heat capacity and thermal inertia.

Ожидаемым техническим результатом настоящего изобретения является повышение быстродействия устройства для измерения температуры быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике.The expected technical result of the present invention is to increase the speed of the device for measuring the temperature of high-speed high-temperature processes in gas dynamics.

Сформулированный результат достигается тем, что в устройстве для измерения температуры газовых потоков, представляющем собой металлический блок, выполненный в виде соединенного с корпусом цилиндра с продольным осевым каналом, в котором размещена термопара, представляющая собой металлическую трубку с керамической вставкой, в которой проходят термопарные провода, выступающие на конце термопары за пределы металлической трубки с керамической вставкой и соединенные в рабочий спай, термопарные провода в металлической трубке с керамической вставкой расположены в керамической вставке под углом в 90° по отношению друг к другу по четырем углам вставки максимально близко к месту сопряжения вставки с металлической трубкой термопары при условии соблюдения достаточности электрического сопротивления между термопарными проводами и металлической трубкой термопары, при этом выступающие за пределы вставки четыре термопарных провода предварительно скручены в области термоспая и соединены в рабочий спай с помощью лазерной сварки по поверхности термопарных проводов на глубину половины диаметра термопарного провода с соотношением длины термоспая к общей длине выступающих термопарных проводов как 1:3, а точки выхода двух термопарных проводов из вставки по отношению к направлению набегающего газового потока ориентированы продольно.The stated result is achieved in that in a device for measuring the temperature of gas flows, which is a metal block made in the form of a cylinder connected to the body with a longitudinal axial channel, in which a thermocouple is placed, which is a metal tube with a ceramic insert, in which thermocouple wires pass, protruding at the end of the thermocouple beyond the metal tube with a ceramic insert and connected to the working junction, thermocouple wires in a metal tube with a ceramic the fourth insert are located in the ceramic insert at an angle of 90 ° relative to each other at the four corners of the insert as close as possible to the interface between the insert and the thermocouple metal tube, provided that the electrical resistance between the thermocouple wires and the thermocouple metal tube is sufficient, while protruding outside the insert four thermocouple wires are pre-twisted in the thermocouple area and connected to the working junction using laser welding along the surface of thermocouple wires to a depth of barns thermocouple wire diameter with a ratio of length to the overall length termospaya projecting thermocouple wires as 1: 3, and the exit point of the two wires of the thermocouple insertion relative to the direction of the oncoming gas stream oriented longitudinally.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства в разрезе.In FIG. 1 shows a General view of the device in section.

Устройство для измерения температуры газовых потоков содержит металлический корпус 1 термопары, термопару 2, включающую металлическую трубку 3, керамическую вставку 4 из специальной керамики с четырьмя каналами для термопарных проводов 5, рабочий спай 6. Устройство для измерения температуры газовых потоков устанавливается в канале для измерения температуры 7 и закрепляется накидной гайкой 8.A device for measuring the temperature of gas flows contains a metal housing 1 of a thermocouple, a thermocouple 2, including a metal tube 3, a ceramic insert 4 made of special ceramic with four channels for thermocouple wires 5, a working junction 6. A device for measuring the temperature of gas flows is installed in a channel for measuring temperature 7 and secured with a union nut 8.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Устройство устанавливается в канале-газоходе 7 с помощью накидной гайки 8 так, что две точки выхода термопарных проводов 5 из керамической вставки 4 и сами указанные термопарные провода ориентированы продольно по отношению к направлению набегающего газового потока. На расстоянии 2/3 длины термопарных проводов 5 и до конца их длины предварительно скрученные четыре термопарных провода 5 свариваются лазерной сваркой с глубиной проварки на половину диаметра термопарного провода. Точки выхода термопарных проводов 5 из керамической вставки 4 расположены максимально близко к месту сопряжения вставки 4 с металлической трубкой 2 термопары при условии соблюдения достаточности электрического сопротивления между термопарными проводами 5 и металлической трубкой 3 термопары 2.The device is installed in the duct-gas duct 7 using a union nut 8 so that the two exit points of the thermocouple wires 5 from the ceramic insert 4 and the indicated thermocouple wires themselves are oriented longitudinally with respect to the direction of the incident gas stream. At a distance of 2/3 of the length of the thermocouple wires 5 and to the end of their length, the pre-twisted four thermocouple wires 5 are laser welded with a welding depth of half the diameter of the thermocouple wire. The exit points of the thermocouple wires 5 from the ceramic insert 4 are located as close as possible to the interface between the insert 4 and the metal tube 2 of the thermocouple, provided that the electrical resistance between the thermocouple wires 5 and the metal tube 3 of the thermocouple 2 is sufficient.

Такое соединение рабочего спая 6 с помощью предварительной скрутки и лазерной сварки на глубину половины диаметра термопарного провода обеспечивает повышенную механическую прочность соединения проводов и надежный электрический контакт при минимальной массе. Так, например, для сплавов из вольфрам-рения (5%) и вольфрам-рения (20%) высокотемпературных термопарных проводов, составляющих высокотемпературную термопару типа ВР5/20, указанное исполнение термоспая позволяет устранить влияние хрупкости проводов и повысить механическую прочность термоспая в целом при минимальной массе термоспая.Such a connection of the working junction 6 by means of preliminary twisting and laser welding to a depth of half the diameter of the thermocouple wire provides increased mechanical strength of the connection wires and reliable electrical contact with a minimum weight. So, for example, for alloys made of tungsten-rhenium (5%) and tungsten-rhenium (20%) high-temperature thermocouple wires constituting a high-temperature thermocouple type ВР5 / 20, the indicated design of the thermal junction allows you to eliminate the influence of brittleness of the wires and increase the mechanical strength of the thermal junction as a whole at the minimum mass of the thermal junction.

Кроме того, конструкция рабочего спая 6 в виде жесткого треугольника из двух термопарных проводов 5, точки вывода которых из вставки 4 ориентированы по отношению к набегающему газовому потоку продольно и расположены на максимально возможном расстоянии друг к другу во вставке 4, обеспечивают максимально жесткую и прочную конструкцию соединения проводов по отношению к динамическому напору набегающего газового потока при минимальной массе рабочего спая. Расположение двух из четырех проводников продольно по отношению к набегающему газовому потоку (когда один из них находится в зоне аэродинамической тени другого) приводит к уменьшению механической нагрузки на рабочий спай, что также приводит к повышению надежности функционирования термопары.In addition, the construction of the working junction 6 in the form of a rigid triangle of two thermocouple wires 5, the outlet points of which from the insert 4 are oriented longitudinally and are located as far as possible against the incoming gas stream in the insert 4, provide the most rigid and robust construction wire connections with respect to the dynamic pressure of the incident gas flow with a minimum mass of the working junction. The location of two of the four conductors longitudinally with respect to the incoming gas flow (when one of them is in the aerodynamic shadow zone of the other) leads to a decrease in the mechanical load on the working junction, which also leads to an increase in the reliability of the thermocouple.

Соединение в рабочем спае 6 четырех термопарных проводов 5 позволяет выполнить две термопары и таким образом осуществить резервирование (двоирование) числа термопар, применяемых в устройстве. При этом часто встречающимся вариантом выполнения сдвоенной термопары является, когда попарное соединение двух термопарных проводов из вольфрам-рения (5%) и вольфрам-рения (20%) осуществляется путем их скрутки на участке посередине их двух отрезков с последующей лазерной сваркой в рабочий спай места скрутки и протяжкой концов проводов через отверстия керамического изолятора 4.The connection in the working joint 6 of four thermocouple wires 5 allows two thermocouples to be made and, thus, to reserve (double) the number of thermocouples used in the device. In this case, a common option for a dual thermocouple is when pairing of two thermocouple wires of tungsten-rhenium (5%) and tungsten-rhenium (20%) is carried out by twisting them in the middle of their two segments with subsequent laser welding to the work junction twisting and pulling the ends of the wires through the holes of the ceramic insulator 4.

Таким образом, предлагаемое механически и электрически надежное и прочное исполнение термопары обеспечивает минимально возможную массу термопары и, соответственно, минимальную теплоемкость и термическую инерцию, что позволяет достичь максимально возможное быстродействие при сохранении механической и электрической надежности в условиях воздействия скоростного динамического высокотемпературного газового напора.Thus, the proposed mechanically and electrically reliable and durable thermocouple design provides the minimum possible mass of the thermocouple and, accordingly, the minimum heat capacity and thermal inertia, which allows to achieve the highest possible speed while maintaining mechanical and electrical reliability under the influence of high-speed dynamic high-temperature gas pressure.

Проведенные испытания показали повышенные характеристики быстродействия при сохранении механической и электрической надежности в условиях воздействия скоростного динамического высокотемпературного газового напора.The tests showed increased performance characteristics while maintaining mechanical and electrical reliability under the influence of high-speed dynamic high-temperature gas pressure.

Claims (1)

Устройство для измерения температуры высокотемпературных газовых потоков, представляющее собой металлический блок, выполненный в виде соединенного с корпусом цилиндра с продольным осевым каналом, в котором размещена термопара, представляющая металлическую трубку с керамической вставкой, в которой проходят термопарные провода, выступающие на конце термопары за пределы металлической трубки с керамической вставкой и соединенные в рабочий спай, отличающееся тем, что термопарные провода в металлической трубке с керамической вставкой расположены в керамической вставке под углом в 90° по отношению друг к другу по четырем углам вставки максимально близко к месту сопряжения вставки с металлической трубкой термопары при условии соблюдения достаточности электрического сопротивления между термопарными проводами и металлической трубкой термопары, при этом выступающие за пределы вставки четыре термопарных провода предварительно скручены в области термоспая и соединены в рабочий спай с помощью лазерной сварки по поверхности термопарных проводов на глубину половины диаметра термопарного провода с соотношением длины термоспая к общей длине выступающих термопарных проводов как 1:3, а точки выхода двух термопарных проводов из вставки по отношению к направлению набегающего газового потока ориентированы продольно.A device for measuring the temperature of high-temperature gas flows, which is a metal block made in the form of a cylinder connected to the body with a longitudinal axial channel, in which a thermocouple is placed, which represents a metal tube with a ceramic insert, in which thermocouple wires protrude at the end of the thermocouple beyond the metal tubes with a ceramic insert and connected to a working junction, characterized in that the thermocouple wires in a metal tube with a ceramic insert located in the ceramic insert at an angle of 90 ° relative to each other at the four corners of the insert as close as possible to the place where the insert is connected to the thermocouple metal tube, provided that the electrical resistance between the thermocouple wires and the thermocouple metal tube is sufficient, with four thermocouple protruding from the insert the wires are pre-twisted in the thermal junction area and connected to the working junction using laser welding on the surface of thermocouple wires to a depth of half the diameter and a thermocouple wire length ratio to the total length termospaya projecting thermocouple wires as 1: 3, and the exit point of the two wires of the thermocouple insertion relative to the direction of the oncoming gas stream oriented longitudinally.

Images